A física quântica é um ramo da física que estuda fenômenos que ocorrem em escalas muito pequenas, como átomos e partículas subatômicas. Ao contrário da física clássica, que descreve o comportamento de objetos macroscópicos, a física quântica concentra-se no mundo microscópico, onde as leis da física clássica não se aplicam mais.
A física quântica é baseada em vários princípios fundamentais que diferem da intuição clássica. Alguns desses princípios incluem:
- Dualidade onda-partícula.
- Princípio da incerteza de Heisenberg.
- Sobreposição.
- Princípio de exclusão de Pauli.
- Emaranhamento quântico.
Dualidade onda-partícula
Partículas subatômicas podem exibir comportamentos de partículas e ondas. Isso significa que, em certos experimentos, as partículas podem se comportar como partículas pontuais, com posição e momento definidos.
Porém, em outros experimentos, podem ser observados padrões de interferência característicos de ondas, como a interferência de duas fendas.
Experiência de fenda dupla
Um exemplo famoso dessa dualidade é o experimento da dupla fenda. Quando um feixe de partículas, como elétrons ou fótons, é disparado através de uma barreira de duas fendas, um padrão de interferência é observado na tela de detecção.
Este padrão só pode ser explicado se considerarmos que as partículas se comportam como ondas que interferem umas nas outras. No entanto, ao observar de perto, partículas individuais são detectadas em pontos específicos da tela, comportando-se como partículas pontuais.
Princípio da incerteza de Heisenberg
O princípio da incerteza de Heisenberg, formulado pelo físico Werner Heisenberg, estabelece uma limitação fundamental na precisão com que certas propriedades de uma partícula subatômica podem ser conhecidas.
O princípio afirma que tanto a posição quanto o momento (ou momento) de uma partícula não podem ser conhecidos simultaneamente com precisão absoluta. Isto implica que quanto mais precisamente a posição de uma partícula é medida, menos precisão temos sobre o seu momento e vice-versa.
Esta limitação está relacionada à natureza ondulatória das partículas subatômicas. Quanto mais a descrição de uma onda é “apertada” (ou seja, sua extensão espacial é reduzida), mais ela se expande no espaço dos momentos e vice-versa.
Isto é expresso pela conhecida desigualdade de Heisenberg:
Δx * Δp >= h/4π
Onde:
-
Δx representa a incerteza na posição.
-
Δp é a incerteza no momento.
-
h é a constante de Planck.
Sobreposição
Um dos conceitos mais intrigantes da física quântica é a superposição. De acordo com este princípio, as partículas quânticas podem existir em vários estados ao mesmo tempo até que uma medição seja feita.
Isso significa que uma partícula pode estar em superposição de diferentes posições, momentos, energias ou outras propriedades.
gato de Schrodinger
Um exemplo clássico de superposição é o experimento do gato de Schrödinger.
Neste experimento mental, um gato é colocado em uma caixa fechada junto com um dispositivo que tem 50/50 de chance de matá-lo. Segundo a mecânica quântica, antes de abrir a caixa e fazer a observação, o gato fica numa superposição de estar vivo e morto ao mesmo tempo.
Somente quando a caixa é aberta e a observação é feita é que o estado quântico do gato entra em colapso em um dos dois resultados possíveis: vivo ou morto.
Princípio de exclusão de Pauli
O princípio de exclusão de Pauli, formulado por Wolfgang Pauli, afirma que dois férmions idênticos, como os elétrons, não podem ocupar simultaneamente o mesmo estado quântico em um determinado sistema.
Este princípio é essencial para compreender a distribuição de elétrons em átomos e moléculas. Impede que dois elétrons compartilhem todos os seus números quânticos, incluindo spin, garantindo uma distribuição única e específica de elétrons entre níveis e subníveis de energia.
Esta restrição quântica é fundamental para a estabilidade da matéria e tem implicações significativas na formação da estrutura atômica e na tabela periódica dos elementos.
Emaranhamento quântico
O emaranhamento quântico é um fenômeno no qual duas ou mais partículas estão intrinsecamente correlacionadas entre si, de modo que o estado de uma partícula é instantaneamente relacionado ao estado da outra, mesmo que estejam separadas por grandes distâncias.
Isto implica uma conexão não local entre as partículas emaranhadas.
Experimento de partículas emaranhadas
Um experimento bem conhecido que ilustra o emaranhamento quântico é o experimento de partículas emaranhadas ou pares de Bell.
Neste experimento, quando duas partículas emaranhadas são separadas e medidas em propriedades complementares, como a polarização, os resultados da medição são correlacionados de maneiras que não podem ser explicadas pela teoria clássica.
Isto significa que o estado quântico de uma partícula está instantaneamente ligado ao estado quântico da outra, independentemente da distância entre elas.
Este fenômeno foi confirmado experimentalmente e é utilizado em tecnologias como a criptografia quântica para garantir a segurança das comunicações.
Diferença entre física quântica e mecânica quântica
Física quântica e mecânica quântica são termos frequentemente usados de forma intercambiável e referem-se ao mesmo campo de estudo. No entanto, é possível fazer uma distinção sutil entre os dois termos.
A física quântica é um termo mais amplo que abrange todos os aspectos da teoria quântica, incluindo não apenas a mecânica quântica, mas também outros campos relacionados, como a teoria quântica de campos, a eletrodinâmica quântica, a teoria da informação quântica e a física quântica, a teoria quântica estatística, entre outros.
Nesse sentido, a física quântica abrange uma variedade de teorias e princípios que explicam o comportamento de partículas e sistemas em escalas muito pequenas.
A mecânica quântica, por outro lado, refere-se especificamente ao ramo da física quântica que trata da descrição e compreensão do comportamento das partículas subatômicas e dos sistemas físicos no nível quântico.
É a teoria quântica mais fundamental e amplamente conhecida e estabelece os princípios e equações que governam o comportamento das partículas no nível microscópico.
